JP3393469B2 - 薄膜半導体素子の製造方法及び薄膜半導体形成装置 - Google Patents

薄膜半導体素子の製造方法及び薄膜半導体形成装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は薄膜半導体素子の製
造方法及び薄膜半導体形成装置に係わり、特に結晶性シ
リコン薄膜トランジスタに用いるシリコン薄膜及び電界
効果型トランジスタに応用するための良質な半導体−絶
縁膜界面の形成方法及びその形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】短波長パルスレーザ光を照射し非晶質基
板上の非晶質シリコン薄膜を結晶化し、薄膜トランジス
タに応用する技術は特公平７−１１８４４３号公報に開
示されている。本手法によれば基板全体を高温にするこ
となく非晶質シリコンの結晶化が可能であるため、液晶
ディスプレイ等の大面積かつガラス等の安価な基板上へ
の半導体素子、半導体集積回路を作製できるという利点
がある。
【０００３】一方、被レーザ照射材料であるａ−Ｓｉ薄
膜の形成工程、レーザ照射工程、プラズマ水素化工程、
ゲート絶縁膜の形成工程を順次あるいは順を変えて、大
気暴露することなく行う技術が、例えば特開平９−３２
０９６１号公報に開示されている。すなわち同公報で
は、真空ロード室、Ｓｉ形成室、レーザ照射室、絶縁膜
形成室、水素アニール室、基板アンロード室と、基板搬
送室からなる半導体薄膜形成装置が開示されている。ガ
ラス基板は真空ロード室から本装置内に導入され、基板
搬送室及び真空バルブを介しいずれの処理室への搬送も
可能になっている。それぞれの処理室及び基板搬送室は
独立した排気装置を有しており、シリコン成膜、絶縁膜
成膜、水素アニールそれぞれ独立した（もしくは共有さ
れた）ガス導入系から供給される反応性ガス、不活性ガ
ス等の個別排気が可能である。基板搬送時には基板送出
室の排気を十分行い、基板搬送室と同程度の圧力下で真
空バルブを解放しロボットにより基板を送出、真空バル
ブを閉じる。基板は予め基板搬送室と同程度の真空状態
にある基板導入室に、真空バルブの解放、レーザ照射室
への搬入、真空バルブの閉止の順で送られる。真空バル
ブが閉止された後は、必要なガスの導入、必要な圧力、
温度制御を行った後、レーザ照射がなされる。その他の
処理室間も同様の手順で、順次基板搬送が可能になる。
一度に動作可能なロボットの数に応じて複数の処理室間
を同時に、異なる基板を移動させることも可能である
が、各処理室の十分な排気が必要である。もちろん排気
後各処理室及び基板搬送室を不活性ガス雰囲気、窒素雰
囲気もしくは水素雰囲気等のほぼ等しい圧力状態にして
から、バルブの開閉、基板搬送を行っても差し支えな
い。真空ロード室、基板アンロード室における装置内と
大気雰囲気との基板の搬送は、真空バルブを閉じた状態
で窒素もしくは不活性ガスによるリークを行った後、大
気側バルブを解放し、搬出入が行われる。
【０００４】このように大気暴露することなく一連の工
程を行うのは、レーザ結晶化によって形成されたシリコ
ン表面が非常に活性であるため大気中に曝すことにより
不純物が付着しやすくなり、結果として形成されるＴＦ
Ｔの特性を劣化させる、あるいはその特性にばらつきを
生じさせるという一般的な考えによるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】そこで、エキシマレー
ザ結晶化技術と酸化シリコン膜形成技術を同一装置（大
気に曝さず別の装置に基板を搬送することを含む）で行
い、いったん大気に曝した場合との性能比較を行った。
その結果、大気に曝さない方法は、ゴミ、パーティク
ルの付着防止効果による製品の歩留まり率の向上には大
きな効果があったものの、この効果はクリーンルーム環
境のクリーン度を高めることである程度同等の効果が得
られることがわかった。歩留まり率の向上には、成膜装
置よりも同一装置内に基板の洗浄機構を組み込んだもの
が最も効果が大きい。
【０００６】そして、シリコン膜中のトラップ準位密度
と、界面準位密度（あるいは固定酸化膜電荷密度）を単
純な数値比較をすると明らかにトラップ準位密度の値の
ほうが大きい。すなわち、同一装置内で大気に曝すこと
なくシリコン膜／ゲート絶縁膜を形成した試料におい
て、その清浄性の効果を得るためには、シリコン膜の性
能（トラップ準位密度）が不十分ではないかという問題
を有する。
【０００７】この問題をさらに検討した結果、以下のよ
うな製造工程、製造装置上の課題も明らかになってき
た。
【０００８】Ａ：例えば特開平７−９９３２１号公報に
に開示されているクラスターツール型の場合は、複数の
処理室がそれぞれ個別の目的を持って配置されているた
め、コアに位置する基板搬送室中の不純物管理が難し
い。処理室との基板受け渡しの際にわずかながらもクロ
スコンタミネーションが生じる。
【０００９】Ｂ：例えば特開平５−１８２９２３に開示
号公報に開示されているインライン型の場合は、真空中
での駆動部品、摩擦面積等が大きく微小な発塵（特に金
属類）が避けられない。
【００１０】Ｃ：レーザ結晶化されたシリコン表面が非
常に活性である。
【００１１】Ｄ：例えばレーザ結晶化後ゲート絶縁膜形
成前に、シリコン表面の保護（パッシベーション）にエ
ネルギーを持った活性種（水素ラジカル、酸素ラジカ
ル、水素イオン、酸素イオン等のラジカル種、イオン種
等、またはオゾン）を用いると、処理室壁面等に付着し
ている不純物や、壁面を構成する金属励起し、結果的に
基板が配置された環境を汚染してしまう。
【００１２】Ｅ：酸化雰囲気でのレーザ照射は、シリコ
ン中への酸素導入（酸化）過程でレーザの強度バラツキ
を大きく反映してしまい、シリコン膜中の酸素含有量が
ばらつき、結果として得られるシリコン膜特性が不均一
になる。
【００１３】Ｆ：大気暴露をせずに連続して（例えばシ
リコン膜のレーザ結晶化後ゲート絶縁膜を形成するよう
な）複数のプロセスを行う場合、大気暴露防止により過
度の不純物の付着低減が図られているものの、上記列挙
した問題がなお目的とする半導体装置形成を妨げてしま
う。従来のＬＳＩ等半導体装置形成工程では、１０００
℃程度の高温プロセスで、結晶シリコン膜中に界面が形
成される熱酸化法を用いており真空装置内であっても不
純物の管理が必要であることを示唆する。
【００１４】Ｇ：一方、プラズマダメージを低減し良質
なゲート絶縁膜を形成する手段としてリモートプラズマ
ＣＶＤ（化学的気相成長）法が提案されている。例え
ば、特開平５−２１３９３号公報には、プラズマ発生室
と基板処理室を分離する構成が開示されている。このよ
うな構成をとることにより、上述のような低固定酸化膜
電荷密度（１０11〜１０12ｃｍ-2）や、低界面準位密度
（〜６×１０10ｃｍ-2ｅＶ-2）が実現できると推察でき
るが、この効果は上述のように予め形成されるシリコン
膜の性能に制限されてしまうという問題があった。
【００１５】Ｈ：さらに、処理基板表面への不純物の付
着を防止するために、一般に処理室内の真空度を高める
（圧力を低くする）ことが多い。特に大気圧よりも小さ
な成膜圧力条件を用いるプラズマＣＶＤの場合、成膜時
を除き可能な範囲で到達真空度程度まで排気される。同
様の理由から枚様式プロセス装置の基板搬送室も可能な
範囲で到達真空度程度まで排気された状態を保つように
制御される。一方でエキシマレーザ照射装置も従来から
同様の思想を踏襲して真空中で行われることもあった。
ところが、前述のようにレーザ照射によりシリコン薄膜
中から脱離したシリコン成分が、真空装置内にレーザ光
を導入する窓に付着しレーザの透過率が処理時間につれ
て減少するという問題があった。
【００１６】このような問題を解決する手段として、エ
キシマレーザ光をシリコンが付着した窓表面に集光照射
して、熱分解除去する技術が特開平９−１３９３５６号
公報に開示されている。ところがこのような方法をとっ
た場合、通常基板表面に集光されるビームを、光路長の
違う導入窓表面に集光するために光学素子（群）の位置
変更が必要になる。このような操作は焦点距離の小さい
光学系、特にマスク投影法を用いたような場合に精密な
位置調整が随時必要となるため、装置稼働率を低下させ
てしまうという問題があった。
【００１７】したがって本発明の目的は、上記述べてき
た問題を克服すべく、トラップ準位密度の小さいシリコ
ン薄膜を光照射によって形成する技術を産業的に応用す
るために必要な、大面積基板上に再現性よくその技術を
実現可能な技術／装置を提供することである。
【００１８】本発明の他の目的は、それらの良質なシリ
コン膜上に良質な界面・ゲート絶縁膜を形成する手段を
提供し、界面準位密度の小さい良好な半導体−絶縁膜界
面、すなわち優れた特性を有する電界効果型トランジス
タを製造する装置を提供することである。
【００１９】本発明の別の目的は、安価なガラス等の使
用に耐えるために、プロセス温度６００℃〜室温での形
成方法を提供し、また、装置稼働率を高く維持したま
ま、必要な装置保守の実施が可能なプロセス装置を提供
することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、基板上
に形成された半導体薄膜の少なくとも表面層を減圧下ま
たは不活性ガス雰囲気中で溶融再結晶化する工程と、上
記溶融再結晶化された前記半導体薄膜が形成された前記
基板を減圧下または不活性ガス雰囲気中に保持する工程
と、前記溶融再結晶化された上記半導体薄膜上に絶縁膜
を形成する工程とを順次連続的に行う薄膜半導体素子の
製造方法において、前記溶融再結晶化工程の後であって
絶縁膜形成工程の前に、酸素ガスを主成分とする雰囲気
中に前記基体が保持される工程を有する薄膜半導体素子
の製造方法にある。
【００２１】活性なシリコン表面を大気中に放置すると
表面に自然酸化膜が形成されていることが知られてい
る。一般に空気中に浮遊する有機物や金属が一緒に自然
酸化膜中に取り込まれるため大気中で形成された自然酸
化膜は、本発明が目的とする良好・清浄な界面の形成に
は適していない。一方、従来のバイポーラトランジスタ
製造プロセスでは、シリコン結晶上のエピタキシャル成
長を行うような場合フッ酸を用いた自然酸化膜除去後、
アンモニア／過酸化水素／水や塩酸／過酸化水素／水の
加熱溶液を用いて（あるいはフッ酸での除去とを繰り返
して）、ケミカル酸化膜を表面に形成、エピタキシャル
成長炉内で水素ガス等を用い１０００℃以上の加熱処理
を行い表面のケミカル酸化膜を除去し清浄なシリコン表
面を形成したのち、所望の膜の成長を行うといった方法
がとられている。
【００２２】しかし例えば６００℃〜室温程度の製造工
程を必要とする場合、上記のような従来技術の高温プロ
セスを用いることはできない。また、レーザ結晶化後の
シリコン薄膜表面はナノ秒オーダとはいえシリコンが溶
融する１０００℃以上の熱履歴を経ており、非常に活性
な状態となっている。たとえ真空装置内においてもその
雰囲気の制御が十分でなければ容易に不純物が付着して
しまう。
【００２３】これに対して本発明の薄膜半導体素子の製
造方法では、レーザ結晶化直後に高純度の酸素を真空装
置内に導入することによって表面に不純物濃度の低い自
然酸化膜を形成する。そうすることによって、レーザ照
射室、基板搬送室、成膜室等における不純物のシリコン
表面への付着を防ぐことができる。このときラジカル、
イオン等の活性な気体を用いると効率よく自然酸化膜の
形成や水素パッシベーション等が可能であるが、装置内
壁等に付着している不純物を巻き込むため好ましくな
い。
【００２４】本発明の発明者は、表１に示す炭素化合物
濃度、純度の異なる３種の酸素ガスを用意して、シリコ
ンウエハー上にシリコン酸化膜を堆積しそのリーク電流
を実験測定した。
【００２５】
【表１】
【００２６】５ＭＶ／ｃｍの電界をかけたときの電流密
度は、それぞれの原料ガスを用いたサンプルで、ガスＡ
＞ガスＢ＞ガスＣ、となった。
【００２７】一般にシリコン酸化膜中に存在する炭素は
リーク電流の原因となるため、炭素濃度の低減が必要で
ある。またナトリウム、カリウム、リチウム等の金属
は、酸化膜中で可動イオンとして存在するため、しきい
値シフトの原因となる。したがってシリコン薄膜形成、
シリコン表面の酸化やシリコン酸化膜の堆積には高純度
ガス（酸素、Ｎ2 Ｏ、シラン、ジシラン等）が必要とさ
れている。さて、酸素ガスは深冷分離法により空気中か
ら精留分離するが、その際メタン等のハイドロカーボン
が沸点（酸素−１８３℃、メタン−１６２℃、窒素−１
９６℃）の関係で全て酸素側に残留することが知られて
いる。その結果、空気中のハイドロカーボンが酸素中に
濃縮され残留する。このハイドロカーボンの除去には以
下のような精製方法が有効である。白金またはパラジウ
ムの多孔質触媒を高温にしてハイドロカーボンを酸素と
反応させ水と炭酸ガスを形成し吸着剤に吸着させる。こ
のような方法をとることによって、酸素中のハイドロカ
ーボンを０．１ｐｐｍ以下、炭酸ガス、一酸化炭素それ
ぞれを０．１ｐｐｍ以下にまで精製できる。したがっ
て、プロセス装置へのガス供給系の上流側に酸素精製装
置を配置することも有効である。また空気中からの精留
分離工程において、アルゴンや窒素の残留が知られてい
るが、高純度アルゴンや高純度窒素のｐｐｍオーダでの
存在は本願では重要な問題とはならない。例えば、９
９．９９９９％以上の純度を有する水素、窒素、または
アルゴン等の不活性ガスとの高純度酸素混合ガスを用い
ても同様である。
【００２８】上記した実験を含めた種々の実験検討の結
果、保持される雰囲気は、酸素ガスを主成分とする雰囲
気が９９．９９９％以上の純度の酸素ガスあるいは前記
酸素ガスと９９．９９９％以上の純度を有する水素、窒
素、または不活性ガスとの混合ガスであることが好まし
いことを見出した。また、縁膜形成工程に用いられる原
料ガスの純度は９９．９９９％以上であることが好まし
いことを見出した。さらに、これらの保持工程あるいは
絶縁膜形成工程において、使用されるガス中に含まれる
ＣｎＨｍ（ハイドロカーボン）種の濃度の総和が１ｐｐ
ｍ以下であることが好ましいことを見出した。
【００２９】本発明の他の特徴は、真空状態から加圧状
態までの圧力雰囲気を維持できる処理室であって、基板
上に形成された半導体薄膜の少なくとも表面層に導入窓
を通してエネルギービームを照射する手段を具備する第
１の処理室と、前記第１の処理室と同等の圧力雰囲気を
実現でき、かつ、前記半導体薄膜上に絶縁膜を形成する
ための第２の処理室と、前記基板を前記第１の処理室と
前記第２の処理室との間を搬入・搬出する手段と、前記
第１の処理室内に窒素あるいは不活性ガスを導入する手
段と、前記第１の処理室内を排気または加圧し所望の圧
力状態とする手段と、前記第１の処理室内に酸素ガスを
導入する手段とを有する薄膜半導体形成装置において、
前記第１の処理室と前記第２の処理室の圧力状態がほぼ
同等になるような調整と、前記第１の処理室への基板の
搬入、窒素あるいは不活性ガスの導入と圧力調整により
所望の圧力状態の保持と、前記半導体薄膜へのエネルギ
ービームの照射と、酸素ガスの導入と、前記第１の処理
室と前記第２の処理室の圧力状態が同等になるような調
整とをそれぞれを順次行うように制御された薄膜半導体
形成装置にある。ここで、酸素ガスの導入後、基板上の
エネルギービームの有効照射範囲を避けるようにエネル
ギービームを前記導入窓に照射するように制御されるこ
とができる。あるいはここで、前記導入窓はゲートバル
ブおよび酸化室を介して前記第１の処理室本体と離間し
ており、前記ゲートバルブを閉めることにより基板上の
エネルギービームの有効照射範囲を避けるようにエネル
ギービームを前記導入窓に照射するように制御されるこ
とができる。
【００３０】大気圧付近の圧力範囲をそのプロセス条件
とするレーザ照射工程と数ｔｏｒｒ以下の真空状態をそ
のプロセス条件とするＣＶＤ工程、それらの工程間を大
気に曝すことなく搬送する搬送工程を連続的に行うため
には、少なくとも各工程間の受け渡し時に前後の処理室
における圧力差を小さくすることが望ましい。
【００３１】さて、窒素（あるいは不活性ガス）雰囲気
中でのレーザ照射工程を完了後窒素を強制排気する前に
酸素をレーザ照射室に導入し活性なシリコン表面を酸化
する。このときレーザ導入窓に付着したシリコン成分も
活性な表面を有するため酸化される。この酸素が導入さ
れた状態で基板上の有効範囲への照射を避けるようにレ
ーザ光を導入する。特にレーザ光に紫外光を用いた場合
紫外光により酸素ガスが分解されると同時にレーザ導入
窓に付着酸素との反応で酸化されなかったシリコン成分
が加熱される。このとき分解された活性酸素と加熱され
たシリコン成分とが反応し酸化シリコンとなり、レーザ
光の透過率低下を防ぐことができる。なお、以上の工程
は、ガス封止状態あるいは圧力を維持したままガスが流
れる状態のいずれかでおこなう。
【００３２】次にレーザ照射室から基板搬送室に基板を
搬送する。真空雰囲気で行う場合、後から説明する図１
（Ａ）に示すように、酸素導入の停止、レーザ光導入の
停止とほぼ同じタイミング窒素（不活性ガスでもよい）
の供給を停止し、排気量を大きくする。真空状態を維持
している搬送室とほぼ同等の圧力条件であることを確認
した後、両処理室を分離するゲートバルブを開き基板を
搬送する。酸素雰囲気で行う場合、予め基板搬送室を高
純度の不活性ガスあるいは窒素、酸素、それらの混合気
体によりある圧力に調整する。また、後から説明する図
１（Ｂ）に示すように、タイミングでレーザ処理室内を
酸素が含まれる雰囲気とし、その圧力を基板搬送室のそ
れと同等になるように調整する。その後、両処理室を分
離するゲートバルブを開き基板を搬送する。
【００３３】このようにすることによって、基板表面の
シリコン膜上への金属、炭素等の不純物付着を防ぐと同
時に、レーザ導入窓の透過率低下を防止できる。
【００３４】
【発明の実施の形態】次ぎに図面を参照して、前述した
本発明を実施する製造方法及び形成装置の実施の形態に
ついて説明する。
【００３５】Ａ：酸素導入形態について。図１は本願発
明の実施の形態の製造方法を示すタイミングチャートで
あり、図２及び図３はそのフローチャートである。
【００３６】図１（Ａ）、図２に示すように十分真空排
気されたレーザ処理室に基板を導入する。ゲートバルブ
を閉じ基板搬送室（あるいはロードロック室、シリコン
薄膜形成室等の他の処理室）とのガスの流通を止めた
後、窒素（あるいはアルゴン等不活性ガス、水素、また
はその混合ガス）を導入する。このとき排気を停止せず
に一定の窒素圧力に制御することが望ましいが、排気の
停止やガス導入後ある圧力になった時点でガス導入バル
ブを閉じることも可能である（図示せず）。
【００３７】この基板を配置したステージを所定の位置
に移動し、また必要におうじて圧力や基板加熱ヒータの
温度が所定の状態になるまで待った後（図示せず）、基
板へのレーザ照射を開始する。基板ステージあるいは照
射ビームを移動させることにより所望の領域をレーザ照
射（再結晶化）した後、酸素を導入する。さらに基板ス
テージの移動や真空装置内に配置された光シャッタ機構
などを利用して、処理基板上の有効領域へのレーザ照射
を防ぎながら、レーザ導入窓にレーザ光を照射する。導
入窓照射、酸素供給、窒素供給を同時に、あるいは順次
停止し、排気量を増加させる。
【００３８】レーザ照射室の圧力が所定の範囲になるま
で排気したのち、基板搬送室につながるゲートバルブを
開き基板を排出する。
【００３９】次に以下のような形態も実施した。図１
（Ｂ）、図３に示すように十分真空排気されたレーザ処
理室に基板を導入する。ゲートバルブを閉じ基板搬送室
（あるいはロードロック室、シリコン薄膜形成室等の他
の処理室）とのガスの流通を止めた後、窒素（あるいは
アルゴン等不活性ガス、水素、またはその混合ガス）を
導入する。基板を配置したステージを所定の位置に移動
し、また必要におうじて圧力や基板加熱ヒータの温度が
所定の状態になるまで待った後（図示せず）、基板への
レーザ照射を開始する。
【００４０】基板ステージあるいは照射ビームを移動さ
せることにより所望の領域をレーザ照射（再結晶化）し
た後、窒素の供給を停止し、酸素を導入する。予め基板
搬送室を酸素雰囲気で所定の圧力に制御しておき、レー
ザ照射室の圧力が所定の圧力に到達した時点で、ゲート
バルブを開き基板を排出する。基板を搬送し終えたあと
でレーザ導入窓にレーザ光を照射する。導入窓照射、酸
素供給、窒素供給を同時に、あるいは順次停止し、排気
量を増加させる。
【００４１】上記のような形態においては導入される酸
素や混合ガスを構成する不活性ガス、窒素、水素等の単
独での純度が９９．９９９９％となるように、ガス純化
装置やガスシリンダで供給される高純度ガスを用いた。
【００４２】Ｂ：ＥＬＡ−搬送室一ＣＶＤ複合につい
て。図４は、本発明の第１の実施の形態の半導体薄膜形
成装置を示す側面図である。
【００４３】プラズマＣＶＤ室Ｃ２、レーザ照射室Ｃ
５、基板搬送室Ｃ７から構成され、ゲートバルブＣＶ
２，ＣＶ５を介して基板の搬送が装置外部の雰囲気に触
れることなく真空中、不活性ガス、窒素、水素、酸素等
の雰囲気かつ高真空、減圧、加圧状態で可能である。
【００４４】レーザ照射室においては４００℃程度まで
加熱可能な基板ステージＳ５上にチャック機構を用いて
基板が設置される。プラズマＣＶＤ室では、４００℃程
度まで加熱可能な基板ホルダーＳ２上に基板が設置され
る。この例ではＳｕｂ０ガラス基板上にシリコン薄膜Ｓ
ｉ１が形成された状態でレーザ照射室に導入され、表面
のシリコン薄膜がレーザ照射により結晶性シリコン薄膜
Ｓｉ２に改質され、プラズマＣＶＤ室に搬送された状態
を示している。
【００４５】レーザ照射室に導入されるレーザ光は、第
１のエキシマレーザＥＬ１、第２のエキシマレーザＥＬ
２から供給されるビームが第１のビームラインＬ１、第
２のビームラインＬ２を通り、レーザ合成光学装置ｏｐ
ｔ１、ミラーｏｐｔ１１、透過ミラーｏｐｔ１２、レー
ザ照射光学装置ｏｐｔ２、ホモジナイザｏｐｔ２０、光
学マスクステージｏｐｔ２２に固定された光学マスクｏ
ｐｔ２１、投影光学装置ｏｐｔ２３、レーザ導入窓Ｗ１
を介して基板表面に到達する。
【００４６】ここでは２台のエキシマレーザを図示した
が、光源としては１台以上所望の台数を設置することも
できる。またエキシマレーザに限らず、炭酸ガスレー
ザ、ＹＡＧレーザ等のパルスレーザや、アルゴンレーザ
等のＣＷ光源と高速シャッタを用いてパルス上に供給し
てもよい。
【００４７】一方プラズマＣＶＤ室はＲＦ電極Ｄ１とプ
ラズマ閉じこめ電極Ｄ３によりプラズマ形成領域Ｄ２が
基板が配置される領域とは離れた位置に形成される。
【００４８】プラズマ形成領域には例えば酸素とヘリウ
ムを、原料ガス導入装置Ｄ４を用いてシランガスを供給
することにより、基板上に酸化シリコン膜を形成するこ
とができる。
【００４９】同様に図５は、本発明の第２の実施の形態
の半導体薄膜形成装置を示すの側面図である。図４の形
態に加えてゲートバルブＧＶ５’、酸化室Ｃ５’を備え
る。ゲートバルブＧＶ５’はレーザ導入窓を基板が配置
される処理室とから隔離し、処理室には独立して酸素ガ
ス等の導入が可能となっている。したがって酸化室Ｃ
５’内でレーザ照射を行うことにより、処理基板へのレ
ーザ光の影響なくレーザ導入窓へのレーザ照射が可能と
なる。上記ゲートバルブが処理基板に対して処理室内に
配置されたシャッタとして働くため、処理室外への搬送
待ち時間などを利用して、レーザ導入窓へのレーザ照
射、及び窓表面に付着したシリコン成分を効率よく酸化
することができる。またこのとき、レーザ照射室に導入
されるレーザ光は、第１のエキシマレーザＥＬ１、第２
のエキシマレーザＥＬ２から供給されるビームの一方あ
るいは両方を用いることも可能である。光学マスクステ
ージｏｐｔ２２に固定された光学マスクｏｐｔ２１、投
影光学装置ｏｐｔ２３の一部あるいは全てを光路上から
退避させ、高価な光学素子の寿命を延ばすことや、レー
ザ導入窓Ｗ１への均一な強度分布を有するビームの照射
等も可能になる。図６は本発明の実施の形態の半導体薄
膜形成装置を示す平面図である。ロード／アンロード室
Ｃ１、プラズマＣＶＤ室Ｃ２、基板加熱室Ｃ３、水素プ
ラズマ処理室Ｃ４、レーザ照射室Ｃ５、基板搬送室Ｃ７
がそれぞれゲートバルブＧＶ１〜ＧＶ６を介して接続さ
れている。第１のビームラインＬ１、第２のビームライ
ンＬ２から供給されるレーザ光がレーザ合成光学装置ｏ
ｐｔ１、レーザ照射光学装置ｏｐｔ２、レーザ導入窓Ｗ
２を介して基板表面に照射される。また、それぞれのプ
ロセス室、搬送室はガス導入装置ｇａｓ１〜ｇａｓ７、
排気装置ｖｅｎｔ１〜ｖｅｎｔ７が接続されており、所
望のガス種の供給、プロセス圧の設定、排気、真空が調
整される。図に点線で示すように処理基板ｓｕｂ２，ｓ
ｕｂ６が平面上に配置される。
【００５０】Ｃ：ＥＬＡ部について。図７は本発明の実
施の形態のレーザ照射室の例を示す図である。第１のエ
キシマレーザＥＬ１及び第２のエキシマレーザＥＬ２か
ら供給されるパルスＵＶ光は、ミラー類ｏｐｔ３、ｏｐ
ｔ３’、レンズ類ｏｐｔ４を介してホモジナイザｏｐｔ
２０’に導かれる。レーザ光源として２台のエキシマレ
ーザを図示したが一台あるいは３代以上の複数台を備え
ることも可能である。ここでビームの強度プロファイル
が光学マスクｏｐｔ２１で所望の均一度、例えば面内分
布±５％、になるように整形する。（エキシマレーザか
ら供給されるオリジナルなビームはその強度プロファイ
ルや総エネルギー量が、パルス間毎に変化する場合があ
るため、光学マスク上での強度が、空間的分布、パルス
間ばらつきについて、より均一化されるための機構が設
けられることが望ましい。ホモジナイザとしては、フラ
イアイレンズやシリンドリカルレンズを用いたものが一
般的に用いられる。）上記光学マスクによって形成され
た光パターンは縮小投影露光装置ｏｐｔ２３’、レーザ
導入窓Ｗ０を介して、真空チャンバＣ０内に設置された
基板Ｓｕｂ０に照射される。
【００５１】上記基板は、基板ステージＳ０上に載置さ
れており、基板ステージの動作によって所望の領域、例
えばパターン転写領域ｅｘ０、に光パターンを露光する
ことができる。図７では縮小投影光学系を示したが、場
合によっては等倍、拡大投影を行ってもかまわない。基
板ステージの移動（図内Ｘ−Ｙ）によって基板上の任意
の領域に照射が行われる。また、上記光学マスクはマス
クステージ（図示せず）上に設置され、露光可能領域内
であれば、上記光学マスクを移動して基板上に照射され
るビームを操作することも可能である。
【００５２】次に所望の光パターンを所望の条件で基板
上に照射するために必要な機構について例示する。光軸
の調整には微妙な調整が必要となるため、いったん調整
を終えた光軸を固定して基板の位置を調整する方法を示
す。光軸に対する基板照射面の位置は、焦点（Ｚ）方向
位置及び光軸に対する垂直度を補正する必要がある。し
たがって、図中、傾き補正方向θｘｙ、傾き補正方向θ
ｘｚ、傾き補正方向θｘｚ、露光領域移動方向Ｘ、露光
領域移動方向Ｙ、焦点合わせ方向Ｚで示すうち、傾き補
正方向θｘｙ、傾き補正方向θｘｚ、傾き補正方向θｘ
ｚの調整により光軸に対する垂直度を補正する。また、
Ｚ焦点合わせ方向を調整することにより光学系の焦点深
度にあった位置に基板照射面を配置制御する。
【００５３】図８は上記の調整や基板のアライメント機
構を例示した側面図である。露光軸Ｌ０に対し、光学マ
スクｏｐｔ２１、縮小投影露光装置ｏｐｔ２３’、レー
ザ導入窓Ｗ０が図のように配置される。
【００５４】真空チャンバＣ０内に配置された基板Ｓｕ
ｂ０は、基板吸着機構付きヒータＨ０、基板ＸＹＺθｘ
ｙθｘｚθｘｚステージＳ０’ステージ上に配置され
る。真空チャンバを用いているが実際の光照射は真空排
気後置換された不活性ガス、水素、酸素、窒素等の雰囲
気中で行われることが望ましく、雰囲気圧も大気圧前後
の圧力であってもよい。基板吸着機構付きヒータを用い
ることによって光照射時に、室温〜４００℃程度の基板
加熱条件を選ぶことができる。上記のように雰囲気圧を
大気圧力程度にすることによって、真空チャック機能に
よる基板の吸着ができるため、チャンバ内での基板ステ
ージの移動等があってもずれを防止でき、投入された基
板に多少のそり、たわみがあっても基板ステージに固定
することができる。さらに加熱による基板のそり、たわ
みによる焦点深度ずれを最小限に抑えることができる。
【００５５】レーザ干渉計ｉ１，ｉ２は、測長用窓Ｗ−
ｉ、測長用ミラーｏｐｔ−ｉを介して基板のアライメン
ト及び基板のＺ方向位置の測定を行う。アライメントに
は、基板上のアライメントマークをオフアクシス顕微鏡
ｍ０、顕微鏡用光源Ｌｍ、顕微鏡用素子ｏｐｔ−ｍを用
いて計測し、レーザ干渉系による基板位置情報を用いて
所望の露光位置を計測できる。図８ではオフアクシス法
を例示したが、Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｈｅ Ｌｅｎｓ方式
やＴｈｒｏｕｇｈ Ｔｈｅ Ｍａｓｋ（Ｒｅｔｉｃｌ
ｅ）方式を応用することも可能である。また、複数の計
測地点から線形座標を最小２乗法を用いて決定すること
により、計測時に生じる測定誤差を平均化する手段をと
ることもできる。
【００５６】図９(A)〜(C)にマスクパターンとアライメ
ントマークの関係について示した。マスクはマスク（非
露光部）ｍａｓｋ１とマスク（露光部）ｍａｓｋ２とか
ら構成される。例えばエキシマレーザを光源にする場
合、紫外光が透過する石英基板上にアルミニウム、クロ
ム、タングステンなどの金属や、誘電体多層膜といった
紫外光を吸収、反射する膜を形成し、フォトリソグラフ
ィとエッチング技術を用いてパターンを形成する。マス
ク上の所望のパターン（図９（Ａ）において白色部で示
される）に応じて、シリコン膜が露光され図９（Ｂ）に
示されるように非露光Ｓｉ部Ｓｉ１内に露光Ｓｉ部Ｓｉ
２が形成される。このとき、必要に応じてマスク上マー
クｍａｒｋ１が基板上マークｍａｒｋ２に一致するよう
にアライメント調整後露光することによって、シリコン
薄膜上の予め設計された位置を露光することが可能とな
る。
【００５７】また、上記シリコン薄膜を用いた薄膜トラ
ンジスタ形成工程において、露光プロセスが位置決めを
必要とする第１工程の場合（すなわちアライメントマー
クが予め形成されていない場合）、シリコン薄膜への露
光工程時に露光形成マークｍａｒｋ３を同時に露光する
ことによって、ａ−Ｓｉと結晶Ｓｉとの光学的色差を利
用したアライメントマークが形成できる。したがってこ
のマークを基準に後工程におけるフォトリソグラフィ等
を行うことによって、露光改質された所望の領域に、ト
ランジスタや所望の機構、機能を作り込むことができ
る。露光工程後シリコン薄膜上にSi酸化膜を形成し、シ
リコン層の所望の領域がエッチング除去された状態を図
９(C)に示す。
【００５８】Ｓｉ除去部Ｓｉ３は積層されたシリコン膜
とＳｉ酸化膜がエッチング除去された領域であり、Si1
非露光Ｓｉ部Ｓｉ１と露光Ｓｉ部Ｓｉ２上にＳｉ酸化膜
Ｓｉ４，Ｓｉ５が積層された形状が示されている。この
ように酸化膜で覆われたシリコン膜からなる島状構造を
作り込むことによって素子間分離された薄膜トランジス
タのチャネル／ソース・ドレイン領域や後工程のアライ
メントに必要なマークを形成することができる。
【００５９】図１０（Ａ）及び（Ｂ）に主要動作のタイ
ミングチャートの制御例（１）及び制御例（２）を示
す。
【００６０】制御例（１）では、基板ステージの動作に
より所望の露光位置に基板を移動させる。次に焦点合わ
せやアライメント動作を行い精密に露光位置を調整す
る。このとき、例えば０．１μｍ〜１００μｍ程度とい
った、所望の設定誤差精度にはいるように調整する。そ
の動作が完了した時点で、基板への光照射が実行され
る。これらの一連の動作を終了した時点で次の露光領域
へ基板が移動し、基板上の必要な箇所を照射終了した
後、基板が交換され第２の処理基板上で所定の一連の処
理を行う。制御例（２）では、基板ステージをの動作に
より所望の露光位置に基板を移動させる。次に焦点合わ
せやアライメント動作を行い精密に露光位置を調整す
る。このとき、例えば０．１μｍ〜１００μｍ程度とい
った、所望の設定誤差精度にはいるように調整する。そ
の動作が完了した時点で、マスクステージの動作を始動
する。始動時の移動ステップ量のばらつきを避けるため
に、基板への光照射はマスクステージ動作の開始よりも
あとから開始されるチャートである。もちろんステージ
の移動によりアライメント位置から離れた地点に露光さ
れるため、その分のオフセット量は予め考慮する必要が
あることはいうまでもない。基板への光照射よりも早く
光源の運転を開始し、光源の出力強度の安定性が高まっ
た時点で、シャッタ等を開き基板への光照射を行うこと
も可能である。特にエキシマレーザを光源に用い、発振
期間と停止期間とが繰り返されるような使用法をとった
場合、初期の数１０パルスが特に不安定なことが知られ
ており、これらの不安定なレーザパルスを照射したくな
い場合には、マスクステージの動作に合わせてビームを
遮断する方式をとることができる。これらの一連の動作
を終了した時点で次の露光領域へ基板が移動し、基板上
の必要な箇所を照射終了した後、基板が交換され第２の
処理基板上で所定の一連の処理を行う。
【００６１】膜厚７５ｎｍのａ−Ｓｉ薄膜に対して１ｍ
ｍ×５０μｍのビームを短軸方向に０．５μｍピッチで
走査した。一つの光源を用いてレーザ照射強度は照射面
で４７０ｍＪ／ｃｍ2 としたところ、走査方向に連続す
る単結晶シリコン薄膜が得られた。さらに、第２光源を
照射面で１５０ｍＪ／ｃｍ2 となるように、１００ｎｓ
ｅｃ遅延させて照射した条件では１．０μｍの走査ピッ
チ条件でも走査方向に連続する単結晶シリコン薄膜が得
られた。上記結晶化シリコン膜中のトラップ準位密度は
１０12ｃｍ-2より低い値を示した。
【００６２】Ｃ：ＣＶＤ部について。図１１はプラズマ
ＣＶＤ室Ｃ２を示す概略図である。高周波電源ＲＦ１
（１３．５６ＭＨｚあるいはそれ以上の高周波が適す
る）から電力が高周波電極ＲＦ２に供給される。ガス供
給穴付き電極ＲＦ３と高周波電極の間にプラズマが形成
され、反応形成されたラジカルがガス供給穴付き電極を
通り基板が配置された領域に導かれる。平面型ガス導入
装置ＲＦ４によりプラズマに曝すことなく別のガスが導
入され、気相反応を経て基板Ｓｕｂ２上に薄膜が形成さ
れる。基板ホルダーＳ２はヒータ等により室温から５０
０℃程度までの加熱行うように設計した。図のように、
排気装置ｖｅｎ２、ガス導入装置ｇａｓ２、酸素ライン
ｇａｓ２１、ヘリウムラインｇａｓ２２、水素ラインｇ
ａｓ２３、シランラインｇａｓ２４、ヘリウムラインｇ
ａｓ２５、アルゴンラインｇａｓ２６を用いて酸素ラジ
カルとシランガスを反応させることによって酸化シリコ
ン膜を形成できる。
【００６３】基板温度３００℃、圧力０．１ｔｏｒｒ、
ＲＦ電力１００Ｗ、シラン流量１０ｓｃｃｍ、酸素流量
４００ｓｃｃｍ、ヘリウム流量４００ｓｃｃｍの条件で
膜形成を行ったところ、固定酸化膜電荷密度（５×１０
11ｃｍ-2）と良好な特性を有するシリコン酸化膜の形成
を確認している。また、シランに対する酸素流量比を大
きくすることでより良好な酸化膜の形成が可能である。
プラズマＣＶＤ室の形態としては上述のような平行平板
型のＲＦプラズマＣＶＤ装置ばかりでなく、減圧ＣＶＤ
や常圧ＣＶＤといったプラズマを利用しない方法や、マ
イクロ波やＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｒｏｔｒ
ｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）効果を用いたプラズマＣＶ
Ｄ法を用いることも可能である。
【００６４】表２は図１１に示すプラズマＣＶＤ装置を
酸化シリコン膜以外の薄膜形成に用いる場合に必要なガ
ス種の例を示している。Ｓｉ3 Ｎ4 窒化シリコン膜の形
成にはＮ2 （窒素）、（あるいはアンモニア）、キャリ
アガスとしてＡｒ（アルゴン）、ＳｉＨ4 （シラン）、
キャリアガスとしてアルゴン等を用いることができる。
シリコン薄膜の形成にはＨ2 水素とシラン、水素（キャ
リアガスとしてアルゴン）とＳｉＨ4 ４フッ化シラン
（キャリアガスとしてアルゴン）等の原料ガスを用いる
ことができる。また、成膜プロセスではないが、水素プ
ラズマを利用してシリコン薄膜や酸化シリコン膜の水素
プラズマ処理も可能である。
【００６５】これらのガスはガスシリンダーや純化装置
を用いて表３に示すような純度のガスを使用した。
【００６６】
【表２】
【００６７】
【表３】
【００６８】図１２は本発明の半導体薄膜形成装置を薄
膜トランジスタの製造工程に応用した場合の工程フロー
図である。
【００６９】（ａ）：洗浄によって有機物や金属、微粒
子等を除去したＳｕｂ０ガラス基板上に基板カバー膜Ｔ
１、シリコン薄膜Ｔ２を順次形成する。基板カバー膜と
してＬＰＣＶＤ（減圧化学的気相成長）法でシランと酸
素ガスを原料とし、４５０℃で酸化シリコン膜を１μｍ
形成する。ＬＰＣＶＤ法を用いることにより基板保持領
域を除き基板外表面全体をカバーすることも可能である
（図示せず）。あるいはＴＥＯＳ テトラエトキシシラ
ンと酸素を原料としたプラズマＣＶＤ、ＴＥＯＳとオゾ
ンを原料とした常圧ＣＶＤ、図１１に示すようなシラン
と酸素を原料としたプラズマＣＶＤ等を利用することも
可能であり、基板材料（アルカリ金属濃度を極力低減し
たガラス、表面を研磨加工した石英・ガラス等）が含む
半導体デバイスに有害な不純物の拡散防止ができる材料
が基板カバー膜として有効である。シリコン薄膜はＬＰ
ＣＶＤでジシランガスを原料として５００℃（あるいは
モノシランを原料に５５０℃〜６００℃、トリシラン等
の高次シランを用いれば５００℃以下）で厚さ７５ｎｍ
形成する。成膜温度を４００℃以上とすることで、膜中
に含まれる水素原子濃度が1原子％以下となるため、レ
ーザ照射工程での水素放出による膜荒れ等を防ぐことが
できる。あるいは図１１に示すようなプラズマＣＶＤ法
や広く普及しているプラズマＣＶＤ法を用いても、基板
温度や水素／シラン流量比、水素／４フッ化シラン流量
比等を調整することによって水素原子濃度が低いシリコ
ン薄膜を形成できる。
【００７０】（ｂ）：上記（ａ）工程で準備した基板
を、有機物や金属、微粒子、表面酸化膜等を除去するた
めの洗浄工程を経た後、本発明の薄膜形成装置に導入す
る。レーザ光Ｌ０としてエキシマレーザ（波長３０８ｎ
ｍ）ＸｅＣｌを照射し、シリコン薄膜をＴ２’結晶化シ
リコン薄膜に改質する。レーザ結晶化は９９．９９９９
％以上の高純度窒素（あるいは高純度不活性ガス）７０
０ｔｏｒｒ以上の雰囲気で行われ、レーザ照射が完了
後、純度９９．９９９％以上の酸素ガスを導入する。こ
こで利用される高純度窒素はシリコン薄膜中への不純物
混入を防ぐと共に、レーザ導入窓付近でのハイドロカー
ボン等の不純物成分の紫外光との反応、窓への焼き付き
を防ぐために用いられる。また、圧力を７００ｔｏｒｒ
以上とすることで、レーザ照射によって気化したシリコ
ン成分がレーザ導入窓に到達、窓に付着することを防ぐ
ことができる。
【００７１】（ｃ）：上記工程を経た基板は、ガスが排
気された後基板搬送室を介してプラズマＣＶＤ室に搬送
される。第１のゲート絶縁膜Ｔ３として、シラン、ヘリ
ウム、酸素を原料ガスとして基板温度３５０度で酸化シ
リコン膜を１０ｎｍ堆積する。このあと必要に応じて水
素プラズマ処理や加熱アニールを行う。ここまでが本発
明の薄膜形成装置において処理される。
【００７２】（ｄ）：次に、フォトリソグラフィとエッ
チング技術を用いてシリコン薄膜と酸化シリコン膜積層
膜のアイランドを形成する。このとき、シリコン薄膜に
比べ酸化シリコン膜のエッチングレートが高いエッチン
グ条件を選択することがこのましい。図に示すようにパ
ターン断面が階段状（あるいはテーパ状）に形成するこ
とによって、ゲートリークを防ぎ信頼性の高い薄膜トラ
ンジスタを提供できる。
【００７３】（ｅ）：次に、有機物や金属、微粒子等を
除去するための洗浄を行った後、上記アイランドを被覆
するように第２のゲート絶縁膜Ｔ４を形成する。ここで
は、ＬＰＣＶＤ法でシランと酸素ガスを原料とし、４５
０℃で酸化シリコン膜を３０ｎｍ形成した。あるいはＴ
ＥＯＳテトラエトキシシランと酸素を原料としたプラズ
マＣＶＤ、ＴＥＯＳとオゾンを原料とした常圧ＣＶＤ、
図１１に示すようなプラズマＣＶＤ等を利用することも
可能である。次にゲート電極としてｎ+ シリコン膜を８
０ｎｍ、タングステンシリサイド膜を１１０ｎｍ形成す
る。ｎ+ シリコン膜はプラズマＣＶＤやＬＰＣＶＤ法で
形成された結晶性のリンドープシリコン膜が望ましい。
その後、フォトリソグラフィとエッチング工程を経て、
パターン化されたゲート電極Ｔ５を形成する。
【００７４】（ｆ１，ｆ２）：次に、ゲートをマスクと
して不純物注入領域Ｔ６，Ｔ６’を形成する。ＣＭＯＳ
型回路を形成する場合は、フォトリソグラフィを併用し
てｎ + 領域が必要なｎ−ｃｈａｎｎｅｌ ＴＦＴ及びｐ
+ 領域を要するｐ−ｃｈａｎｎｅｌ ＴＦＴを作り分け
る。注入される不純物イオンの質量分離を行わないイオ
ンドーピングや、イオン注入、プラズマドーピング、レ
ーザドーピング等の方法を採ることができる。そのとき
用途や不純物導入方法によって図（ｆ１，ｆ２）のよう
に表面の酸化シリコン膜を残したまま、あるいは除去し
た後に不純物の導入を行う。
【００７５】（ｇ１，ｇ２）：層間分離絶縁膜Ｔ７，Ｔ
７’を堆積、コンタクトホールを開口後、金属を堆積、
フォトリソグラフィとエッチングにより金属配線Ｔ８を
形成する。層間分離絶縁膜としては、膜の平坦化が図れ
るＴＥＯＳ系酸化膜やシリカ系塗布膜、有機塗布膜を用
いることができる。コンタクトホール開口はフォトリソ
グラフィとエッチングにより、金属配線は抵抗の低いア
ルミニウム、銅あるいはそれらをベースとした合金、タ
ングステンやモリブデンといった高融点金属が応用でき
る。以上のような工程を行うことによって、性能、信頼
性の高い薄膜トランジスタを形成することができる。
【００７６】図１３は予めアライメントマークを設け、
アライメントマークに応じたレーザ照射を行った場合の
実施例、図１４はレーザ照射と同時にアライメントマー
クを形成する場合の実施例について、ＴＦＴ製造工程フ
ローをもとに説明する。基本的には図１２の説明と類似
しているため、特に異なる点を中心に説明する。
【００７７】図１３（ａ）：洗浄によって有機物や金
属、微粒子等を除去したガラス基板Ｓｕｂ０上に基板カ
バー膜Ｔ１、タングステンシリサイド膜を順次形成す
る。アライメントマークの形成のために、フォトリソグ
ラフィとエッチングによりパターン化しアライメントマ
ークＴ９を基板上に形成する。次にアライメントマーク
を保護するためにマーク保護膜Ｔ０を形成し、シリコン
薄膜を形成する。
【００７８】図１３（ｂ）：レーザ光露光時にはアライ
メントマークを基準に所望の領域が露光される。その後
は、予め設けられたアライメントマークや、結晶化シリ
コン薄膜パターニングによって形成されるアライメント
マーク（図示せず）を基準に、次工程のアライメントを
行うことができる。
【００７９】図１４（ｂ）：シリコン薄膜への露光と同
時に露光／非露光による改質の相違を利用した結晶化ア
ライメントマークＴ９’をシリコン薄膜に形成する。
【００８０】図１４（ｄ）：結晶化アライメントマーク
Ｔ９’を利用して、フォトリソグラフィ時の目合わせを
行い、エッチング工程を経てシリコン薄膜と酸化シリコ
ン膜積層膜のアイランドを形成する。
【００８１】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、レ
ーザ結晶化直後に高純度の酸素ガスを真空装置内に導入
することによって表面に不純物濃度の低い自然酸化膜を
形成し、レーザ照射室、基板搬送室、成膜室等における
不純物のシリコン表面（レーザ結晶化後のシリコン薄膜
表面は非常に活性な状態となっている。たとえ真空装置
内においてもその雰囲気の制御が十分でなければ容易に
不純物が付着してしまう）への付着を防ぐことができ
た。このときラジカル、イオン等の活性な気体を用いる
場合に比べ、単プロセスでの効率の点では劣るが、装置
内壁等に付着している不純物の取り込みを低減できると
いう効果がある。その結果、装置内のクリーニングやメ
ンテナンスによる装置稼働率低下を抑制し、総合的な製
造効率を高めることに成功した。
【００８２】シリコン酸化膜、シリコン酸化膜界面中に
存在する炭素を低減することができたため、本装置、本
製造方法を用いることでリーク電流の小さい薄膜トラン
ジスタの製造が可能になった。
【００８３】レーザ光により酸素ガスが分解されると同
時にレーザ導入窓に付着酸素との反応で酸化されなかっ
たシリコン成分を加熱することができるため、このとき
分解された活性酸素と加熱されたシリコン成分とが反応
し酸化シリコンとなり、レーザ光の透過率低下を防しで
きた。
【００８４】基板表面のシリコン膜上への金属、炭素等
の不純物付着を防ぐと同時に、レーザ導入窓の透過率低
下を防止することによって、大面積基板上に形成された
良質なシリコン膜上に再現性よく良質な界面・ゲート絶
縁膜を形成する手段を提供し、界面準位密度の小さい良
好な半導体−絶縁膜界面、すなわち優れた特性を有する
電界効果型トランジスタを製造する装置を提供すること
ができた。これらのプロセスは、安価なガラス等の使用
を可能にし、プロセス温度６００℃〜室温での従来のＩ
Ｃと同等の半導体装置を実現できる。また、装置稼働率
を高く維持したまま、必要な装置保守の実施が可能なプ
ロセス装置を提供した。
【００８５】そしてこのような本発明により、（１）：
薬液による洗浄工程削減が可能な安定性の高い半導体薄
膜プロセス装置の提供することができる。（２）：同一
装置において多工程を処理可能な多機能型装置を提供す
ることによって、トータルの工場設置面積を小さくで
き、省スペース半導体プロセス装置の提供することがで
きる。（３）：シリコン清浄表面（界面）を薬液を用い
ることなく維持可能な低コスト、高性能薄膜トランジス
タの製造方法の提供等、高性能、多機能半導体形成装置
の提供、低コスト、高再現性薄膜トランジスタ製造プロ
セスの提供、及び高性能薄膜トランジスタの提供をそれ
ぞれ可能にした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の基板処理のタイミングチ
ャートである。
【図２】本発明の実施の形態の基板処理のフローチャー
トである。
【図３】本発明の実施の形態の基板処理のフローチャー
トである。
【図４】本発明の実施の形態の露光装置、搬送室、プラ
ズマＣＶＤ室を示すの側面断面図である。
【図５】本発明の実施の形態の露光装置、搬送室、プラ
ズマＣＶＤ室を示すの側面断面図である。
【図６】本発明の実施の形態の露光装置、搬送室、プラ
ズマＣＶＤ室等複合装置を示すの平面図である。
【図７】本発明の実施の形態の露光装置の全体を示す図
である。
【図８】本発明の実施の形態の露光装置のアライメント
機構を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態の露光装置におけるマスク
投影法を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態のステージ動作のタイミ
ングチャートである。
【図１１】本発明の実施の形態のプラズマＣＶＤ室を示
す側面断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態のＴＦＴ製造プロセスを
工程順に示す断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態のアライメントマークを
用いたＴＦＴ製造プロセスを工程順に示す断面図であ
る。
【図１４】本発明の実施の形態のアライメントマーク形
成を含むＴＦＴ製造プロセスを工程順に示す断面図であ
る。
【符号の説明】 Ｃ０ 真空チャンバ Ｃ１ ロード／アンロード室 Ｃ２ プラズマＣＶＤ室 Ｃ３ 基板加熱室 Ｃ４ 水素プラズマ処理室 Ｃ５ レーザ照射室 Ｃ５’ 酸化室 Ｃ７ 基板搬送室 ＧＶ１〜ＧＶ６，ＧＶ５’ ゲートバルブ Ｓ２ 基板ホルダー Ｓ０，Ｓ５ 基板ステージ Ｓｕｂ０ ガラス基板 Ｓｕｂ２ 基板 Ｓｉ１ シリコン薄膜 Ｓｉ２ 結晶性シリコン薄膜 ＥＬ１ 第１のエキシマレーザ ＥＬ２ 第２のエキシマレーザ Ｌ０ 露光軸 Ｌ１ 第１のビームライン Ｌ２ 第２のビームライン Ｗ０， Ｗ１ レーザ導入窓 Ｄ１ ＲＦ電極 Ｄ２ プラズマ形成領域 Ｄ３ プラズマ閉じこめ電極 Ｄ４ 原料ガス導入装置 ｏｐｔ１ レーザ合成光学装置 ｏｐｔ２ レーザ照射光学装置 ｏｐｔ３，ｏｐｔ３’ ミラー類 ｏｐｔ４ レンズ類 ｏｐｔ１１ ミラー ｏｐｔ１２ 透過ミラー ｏｐｔ２０，ｏｐｔ２０’ ホモジナイザ ｏｐｔ２１ 光学マスク ｏｐｔ２２ 光学マスクステージ ｏｐｔ２３，ｏｐｔ２３’ 投影光学装置，縮小投影
露光装置 ｇａｓ１〜ｇａｓ７ ガス導入装置 ｖｅｎｔ１〜ｖｅｎｔ７，ｖｅｎ２ 排気装置 ｓｕｂ２，ｓｕｂ６ 処理基板 ｅｘ０ パターン転写領域 θｘｙ，θｘｚ，θｙｚ 傾き補正方向 Ｙ，Ｘ 露光領域移動方向 Ｚ 焦点合わせ方向 Ｈ０ 基板吸着機構付きヒータ Ｓ０’ 基板ＸＹθｘｙθｘｚθｙｚステージ ｉ１，ｉ２ レーザ干渉計 Ｗ−ｉ 測長用ミラー ｍ０ オフアクシス顕微鏡 Ｌｍ 顕微鏡用光源 ｏｐｔ−ｍ 顕微鏡用素子 ｍａｓｋ１ マスク（非露光部） ｍａｓｋ２ マスク（露光部） ｍａｒｋ１ マスク上マーク ｍａｒｋ２ 基板上マーク ｍａｒｋ３ 露光形成マーク Ｓｉ１ 非露光Ｓｉ部 Ｓｉ２ 露光Ｓｉ部 Ｓｉ３ Ｓｉ除去部 Ｓｉ４，Ｓｉ５ Ｓｉ酸化膜 ＲＦ１ 高周波電源 ＲＦ２ 高周波電極 ＲＦ３ ガス供給穴付き電極 ＲＦ４ 平面型ガス導入装置 ｇａｓ２ ガス導入装置 ｇａｓ２１ 酸素ライン ｇａｓ２２ ヘリウムライン ｇａｓ２３ 水素ライン ｇａｓ２４ シランライン ｇａｓ２５ ヘリウムライン ｇａｓ２６ アルゴンライン Ｌ０ レーザ光 Ｔ１ 基板カバー膜 Ｔ２ シリコン薄膜 Ｔ２’ 結晶化シリコン薄膜 Ｔ３ 第１のゲート絶縁膜 Ｔ４ 第２のゲート絶縁膜 Ｔ５ パターン化されたゲート電極 Ｔ６，Ｔ６’ 不純物注入領域 Ｔ７，Ｔ７’ 層間分離絶縁膜 Ｔ８ 金属配線 Ｔ９ アライメントマーク Ｔ９’ 結晶化アライメントマーク Ｔ１０ マーク保護膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 29/786 H01L 21/336 H01L 21/20 H01L 21/316

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上に形成された半導体薄膜の少なく
    とも表面層を減圧下または不活性ガス雰囲気中で溶融再
    結晶化する工程と、上記溶融再結晶化された前記半導体
    薄膜が形成された前記基板を減圧下または不活性ガス雰
    囲気中に保持する工程と、前記溶融再結晶化された上記
    半導体薄膜上に絶縁膜を形成する工程とを順次連続的に
    行う薄膜半導体素子の製造方法において、 前記溶融再結晶化工程の後であって絶縁膜形成工程の前
    に、酸素ガスを主成分とする雰囲気中に前記基体が保持
    される工程を有することを特徴とする薄膜半導体素子の
    製造方法。
  2. 【請求項２】 前記請求項１に記載の薄膜半導体素子の
    製造方法において、酸素ガスを主成分とする雰囲気が９
    ９．９９９％以上の純度の酸素ガスあるいは９９．９９
    ９％以上の純度の酸素ガスと９９．９９９％以上の純度
    を有する水素、窒素、または不活性ガスとの混合ガスで
    あることを特徴とする薄膜半導体素子の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記請求項１に記載の薄膜半導体素子の
    製造方法において、絶縁膜形成工程に用いられる原料ガ
    スの純度が９９．９９９％以上であることを特徴とする
    薄膜半導体素子の製造方法。
  4. 【請求項４】 前記請求項２または前記請求項３に記載
    の薄膜半導体素子の製造方法において、使用されるガス
    中に含まれるＣｎＨｍ（ハイドロカーボン）種の濃度の
    総和が１ｐｐｍ以下であることを特徴とする薄膜半導体
    素子の製造方法。
  5. 【請求項５】 前記請求項１に記載の薄膜半導体素子の
    製造方法において、前記溶融再結晶化はレーザ照射によ
    って行われることを特徴とする薄膜半導体素子の製造方
    法。
  6. 【請求項６】 真空状態から加圧状態までの圧力雰囲気
    を維持できる処理室であって、基板上に形成された半導
    体薄膜の少なくとも表面層に導入窓を通してエネルギー
    ビームを照射する手段を具備する第１の処理室と、前記
    第１の処理室と同等の圧力雰囲気を実現でき、かつ、前
    記半導体薄膜上に絶縁膜を形成するための第２の処理室
    と、前記基板を前記第１の処理室と前記第２の処理室と
    の間を搬入・搬出する手段と、前記第１の処理室内に窒
    素あるいは不活性ガスを導入する手段と、前記第１の処
    理室内を排気または加圧し所望の圧力状態とする手段
    と、前記第１の処理室内に酸素ガスを導入する手段とを
    有する薄膜半導体形成装置において、 前記第１の処理室と前記第２の処理室の圧力状態がほぼ
    同等になるような調整と、前記第１の処理室への基板の
    搬入、窒素あるいは不活性ガスの導入と圧力調整により
    所望の圧力状態の保持と、前記半導体薄膜へのエネルギ
    ービームの照射と、酸素ガスの導入と、前記第１の処理
    室と前記第２の処理室の圧力状態が同等になるような調
    整とをそれぞれを順次行うように制御されることを特徴
    とする薄膜半導体形成装置。
  7. 【請求項７】 前記請求項６に記載の薄膜半導体形成装
    置において、酸素ガスの導入後、基板上のエネルギービ
    ームの有効照射範囲を避けるようにエネルギービームを
    前記導入窓に照射するように制御されること特徴とする
    薄膜半導体形成装置。
  8. 【請求項８】 前記請求項６に記載の薄膜半導体形成装
    置において、前記導入窓はゲートバルブおよび酸化室を
    介して前記第１の処理室本体と離間しており、前記ゲー
    トバルブを閉めることにより基板上のエネルギービーム
    の有効照射範囲を避けるようにエネルギービームを前記
    導入窓に照射するように制御されることを特徴とする薄
    膜半導体形成装置。
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